KR20050090075A

KR20050090075A - 흡수 냉각기 제어 로직

Info

Publication number: KR20050090075A
Application number: KR1020057012638A
Authority: KR
Inventors: 네일 젠킨스
Original assignee: 캐리어 코포레이션
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-09-12
Also published as: US6658870B1; WO2004063646A1; EP1590612A1; CN1723376A; KR100612178B1; CN100529607C

Abstract

흡수 냉각기 시스템에서, 냉각기에 대한 제어 입력은 PI 제어기에 의해 차례로 제어되는 용량 밸브에 의해 제어된 열원이다. 제어기는 비선형 제어 함수에 의해 제어된다. 작동 중에, 시스템에서 외란이 측정된다. 신호 에러는 유출하는 피냉각수에 대한 설정값 빼기 외란으로 정의된다. 비선형 제어 함수는 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_po는 상기 신호 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득이다.

Description

흡수 냉각기 제어 로직 {ABSORPTION CHILLER CONTROL LOGIC}

본 발명은 흡수 냉각기 분야, 특히 흡수 냉각기용 비선형 제어기에 관한 것이다.

흡수 냉각기에서, 유출하는 피냉각 수관(leaving chilled water line)에 있는 피냉각 수온은 유입하는 피냉각 수온(entering chilled water temperature) 및 유입하는 냉각 수온(entering chilling water temperature) 등의 외란에 직접적으로 영향을 받는다. 시스템을 위한 유일한 제어 지점이 증기 또는 가스 화염으로부터 시스템으로의 열을 제어하는 용량 밸브이고 시스템이 화학 기반이기 때문에, 시스템의 기계 역학은 비교적 느리다. 상기 언급된 외란에 의해 생성된 변화는 기존의 용량 제어에 의해 천천히 제어된다.

도1은 흡수 냉각기 시스템의 개략도이다.

도2는 도1의 흡수 냉각기 시스템에 대한 제어 개략도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법의 단계를 도시한다.

약술하면, 흡수 냉각기 시스템에서, 냉각기에 대한 제어 입력은 PI 제어기에 의해 차례로 제어되는 용량 밸브에 의해 제어된 열원이다. 제어기는 비선형 제어 함수에 의해 제어된다. 작동 중에, 시스템에서 외란이 측정된다. 신호 에러는 유출하는 피냉각수에 대한 설정값 빼기 외란으로 정의된다. 비선형 제어 함수는 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_po는 상기 신호 에러가 영(zero)일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉각기에 대한 제어 입력이 용량 밸브에 의해 제어되는 열원이고 상기 용량 밸브가 PI 제어기에 의해 제어되는 흡수 냉각기 시스템을 제어하는 방법은 (a) 상기 시스템에서 외란을 측정하는 단계와, (b) 설정값 빼기 상기 외란으로 신호 에러를 정의하는 단계와, (c) 제어 함수가 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_po는 상기 신호 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득인 상기 PI 제어기에서 제어 함수를 기초로 하여 상기 용량 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉각기에 대한 제어 입력이 용량 밸브에 의해 제어되는 열원이고 상기 용량 밸브가 PI 제어기에 의해 제어되는 흡수 냉각기용 제어 시스템은 상기 냉각기에서 외란을 측정하는 수단과, 설정값 빼기 상기 외란으로 신호 에러를 정의하는 수단과, 제어 함수가 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_po는 상기 신호 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득인 상기 PI 제어기에서 제어 함수를 기초로 하여 상기 용량 밸브를 제어하는 수단을 포함한다.

도1을 참조하면, 흡수 냉각기 시스템(10)의 개략도가 도시되어 있다. 다른 유형의 흡수 시스템이 더욱 많고 적은 단계를 이용할 수 있고, 직렬 사이클보다 차라리 병렬 사이클을 이용할 수 있다. 그러므로, 도1의 흡수 시스템이 본 발명을 설명하기 위한 설명적 배경을 제공하기 위해 선택된 많은 유형의 흡수 시스템 중 오직 하나의 대표물이라는 것을 알 것이다. 본 발명의 제어 방법 및 장치는 이러한 유형의 가열 및 냉각 시스템 중 임의의 것에도 적용될 수 있다.

흡수 냉각기 시스템(10)은 냉매-흡수제 용액 내의 흡수제 농도 및 시스템 내의 액체의 전체량에 따라서 냉각 모드 또는 가열 모드에서 작동하는 밀폐된 유체 시스템이다. 시스템(10)이 냉각 모드에서 작동할 때, 용액은 양호하게 비교적 높은 농도의 제1 흡수제를 가지며, 즉, 비교적 진하거나 냉매가 희박하지만 반면에 시스템 내부의 액체의 전체량은 비교적 적다. 시스템(10)이 가열 모드에서 작동할 때, 용액은 양호하게 비교적 낮은 농도의 제2 흡수제를 가지며, 즉 묽거나 냉매가 풍부하지만 반면에 시스템 내부의 액체의 전체량은 비교적 많다. 이러한 모드에서 시스템(10) 작동에 대한 하기 간단한 설명에서, 시스템(10)은 냉매로서의 물과, 물에 대하여 높은 친화성을 가지고 흡수제로서의 브롬화 리튬(lithium bromide)을 채택한다고 가정한다.

시스템(10)은 공통 쉘(21) 내부에 나란하게 장착되는 증발기(19) 및 흡수기(20)를 포함한다. 시스템(10)이 냉각 모드에서 작동할 때, 프로세스에서 사용된 액체 냉매는 냉각되고 있는 유체, 통상적으로 물로부터 열을 흡수하는 증발기(19)에서 증발된다. 냉각되고 있는 물은 유입하는 피냉각 수관(23a) 및 유출하는 피냉각 수관(23b)에 의해 증발기(19)를 통과한다. 증발기(19)에서 발생된 증발 냉매는 묽은 용액을 형성하도록 흡수제와 결합되는 흡수기(20)로 흐른다. 흡수 프로세스에서 발생된 열은 냉각 수관(24)에 의해 흡수기(20) 밖으로 뽑아내어 진다.

흡수기(20)에서 형성된 묽은 용액은 용액 펌프(25)에 의해 그로부터 빼내어진다. 이 용액은 이송관(29)을 통해 제1 저온 용액 열 교환기(27) 및 제2 고온 용액 열 교환기(28)를 직렬로 통과한다. 상기 용액은 시스템에 채택된 두 개의 발생기(generator), 즉 고온 발생기(16) 및 저온 발생기(36)로부터 흡수기(20)로 돌아가는 비교적 진한 용액과 열 전달하는 관계로 된다.

저온 용액 열 교환기(27)에서의 유출시에, 용액의 일부는 저온 용액 관(31)을 통해 저온 발생기(36)로 보내진다. 잔여 용액은 고온 용액 열 교환기(28)로 보내진 후 용액 관(30)을 통해 고온 발생기(16)로 보내진다. 고온 발생기(16) 내의 용액은 버너(50)에 의해 가열되어 냉매가 증발되고, 그럼으로써 냉매를 용액으로부터 제거한다. 버너(50)는 가스관(54) 및 공기관(56)으로부터 용량 밸브(52)를 통해 공급된다. 제어 밸브(52)는 시스템에 이송된 열의 양을 제어한다. 이와 달리, 시스템으로 이송된 열은 증기 밸브(도시되지 않음)에 의해 제어된 증기관에서 나온다. 고온 발생기(16)에 의해 생성된 냉매 증기는 증기관(35), 저온 발생기(36) 및 적절한 팽창 밸브(35A)를 통과하여 응축기(38)로 흐른다. 추가적인 냉매 증기는 응축기(38)를 따라 쉘(37) 내에 수납된 저온 발생기(36)에 의해 응축기(38)에 더해진다. 저온 발생기(36)에서, 관(36)으로부터 유입하는 묽은 용액은 증기관(35)을 통과하는 증발된 냉매에 의해 가열되고 고온 발생기(16)에 의해 생성된 냉매 증기가 더해진다. 응축기(38)에서, 두 발생기(16, 36)로부터의 냉매 증기는 관(24)을 통과하는 냉각수와 열 전달 관계로 배치되어 액체 냉매로 응축된다.

응축기(38)에서 응축하는 냉매는 적당한 J형 튜브(52)를 통해 증발기(19)로 중력식으로 공급된다. 냉매는 증발기 섬프(44, evaporator sump) 내에 포집된다. 냉매 펌프(43)는 흡입관(46)에 의해 증발기(19)의 섬프(44)로 포집되고 섬프(44)에 포집된 액체 냉매를 공급관(47)을 통해 분무 헤드(39)로 되돌아가도록 배열된다. 일부의 냉매는 피냉각 수관(23)을 통해 유동하는 물을 냉각하기 위해 증발한다. 피냉각 수관(23)에 위로 분무된 모든 냉매는 냉매 펌프(43)에 의해 공급관(47)을 통해 공급된다.

진한 흡수제 용액은 두 개의 발생기(16, 36)로부터 흡수기(20)로 복귀하여 흡수 사이클이 재사용되도록 유동한다. 복귀시에, 고온 발생기(16)로부터의 진한 용액은 고온 용액 열 교환기(28)를 통과하고 용액 복귀관(40)을 통해 저온 용액 열 교환기(27)를 통과한다. 저온 발생기(36)에서 유출하는 진한 용액은 저온 용액 열 교환기(27)의 입구에서 복귀관으로 유입하는 급송관(42, feeder line)에 의해 용액 복귀관으로 연결된다.

센서들은 시스템의 여러 부분에 배치되고, 냉각 수관(24) 내의 온도 센서(72, 74, 76, 78)와, 유출하는 피냉각 수관(23b) 내의 온도 센서(82)와, 유입하는 피냉각 수관(23a) 내의 온도 센서(84)를 포함한다. 이들 센서들의 출력은 PI 제어기(70) 등의 제어기에 연결된다. 제어기(70)는 또한 용량 밸브(52)로의 연결부를 포함하고, 게다가 본 명세서에서 설정값(86)으로 나타낸 자동 온도 조절 장치(thermostat)로부터의 입력을 수신한다.

유출하는 피냉각 수관(23b) 내의 피냉각 수온은 수관(23a)에서 유입하는 피냉각 수온[센서(84)] 및 냉각 수관(24)의 유입하는 냉각 수온[센서(74)] 등의 외란에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 시스템에 대한 유일한 제어 지점이 용량 밸브(52)이고 시스템이 화학적 기반이기 때문에, 시스템의 기계 역학은 상대적으로 느리다. 상기 언급된 외란에 의해 발생된 변화는 기존의 용량 제어에 의해 천천히 제거된다.

현재, 용량 밸브(52) 제어는 PI 제어기(70)에 기반을 둔 비례 적분(PI) 제어 로직을 기초로 한다. 버너(50)를 제어하는 용량 밸브(52)로의 출력 신호는 설정값 에러(setpoint error)의 함수이며, 즉 설정점(86)으로부터의 피냉각수 유출 설정값(chilled water leaving setpoint value) 빼기 센서(82)로부터 측정된 피냉각수 유출 온도의 함수이다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, PI 제어기의 비례 부분은 에러를 상수, 즉 비례 이득(K_P, proportional gain)으로 곱하고, 반면에 적분 부분은 시간에 걸쳐 적분되고 적분 이득(K_I, Integral gain)으로 곱해진 에러로 이루어진다. 기본 PID 제어기의 전달 함수(transfer function)는 Gc(s) = K_P + K_Ds + K_I/s이지만, 제어기가 PI 제어기만이 사용되는 경우, 미분 이득(derivative gain)이 사용되지 않으므로 K_Ds 항은 사라진다. 따라서, PI 제어기의 기본 전달 함수는 Gc(s) = K_P + K_I/s로 표현된다.

도2를 참조하면, 제어 개략도는 흡수 냉각기 시스템(10)에 대해 도시된다. 기존의 용량 제어 법칙은 C(s)로 도시되고, 반면에 G(s)는 흡수 시스템(10)에 대한 전달 함수이다. 본 발명의 비선형 적응 이득(nonlinear adaptive gain)의 배후 사상은 비선형 프로세스가 비선형 제어기에 의해 가장 잘 제어된다는 것이다. 본질적으로, 제어기 전달 함수에서 비례 이득(K_P)은 신호 에러, 즉 설정값 빼기 측정값의 함수로 표현함으로써 변경 가능해진다.

K_P = K_P0(1 + b|E|)

여기서, K_P0는 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 에러의 절대값이며, b는 조절 가능한 상수이다. 비례 이득(K_P)이 이미 에러에 의해 곱해졌기 때문에, 이 표현식은 에러의 제곱에 비례하는 출력 신호가 생긴다. 따라서, C(s) = K_p + K_I/s = K_po(1+b|E|) + K_I/s 이다.

이러한 표현식을 사용하는 장점은 K_PO의 낮은 값이 사용되어 시스템이 설정값 근방에서 안정적이며, 그 결과로 피냉각수 설정값의 오버슈트(overshoot) 및 언더슈트(undershoot)를 상당히 감소시킨다는 것이다.

큰 외란이 시스템으로 유입될 때, 에러의 크기는 과도 외란(transient disturbance)으로 처리하기 위해 버너 제어를 신속하게 움직이는 역할을 하는 큰 이득값으로 된다. 이러한 표현식을 사용하는 것은 설정값 근방의 신호 노이즈의 효과를 감소시키고, 그럼으로써 유출하는 피냉각 수온의 연속적인 진동을 방지하는 장점을 갖는다. 이러한 제어 알고리즘은 기존의 제어 루틴에 최소한의 수정을 요구하지만, 현재의 버너의 비례-적분 제어에 현저한 향상을 제공한다.

도3을 참조하면, 본 발명의 방법의 단계들이 도시된다. 단계(90)에서, 시스템으로 유입하는 외란이 측정된다. 외란은 양호하게 피냉각 수온이고, 유입하는 피냉각 수온 또는 유출하는 피냉각 수온이 사용될 수 있다. 단계(92)에서, 신호 에러는 유출하는 피냉각 수온에 대한 설정값 빼기 외란으로 정의된다. 그 후 단계(94)에서, 흡수 냉각기(10)에 대한 용량 제어 밸브는 상술된 비선형 제어 함수를 사용하는 PI 제어기(70)에 의해 제어된다.

본 발명이 특정 양호한 실시예 및 동봉하는 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기의 양호한 실시예에 제한되지 않으며, 다양한 수정예 등이 다음의 청구범위에서 한정된 본 발명의 범위에서 벗어남 없이 가능하다는 것을 이 기술분야의 숙련자들은 알 것이다.

Claims

냉각기에 대한 제어 입력은 용량 밸브에 의해 제어되는 열원이고, 상기 용량 밸브는 PI 제어기에 의해 제어되는 흡수 냉각기 시스템을 제어하는 방법이며,

상기 시스템에서 외란을 측정하는 단계와,

설정값 빼기 상기 외란으로서 신호 에러를 정의하는 단계와,

상기 PI 제어기의 제어 함수를 기초하여 상기 용량 밸브를 제어하는 단계를 포함하고,

상기 제어 함수는 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_P0는 상기 신호 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득인 흡수 냉각기 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 설정값은 상기 냉각기의 소정의 유출하는 피냉각 수온을 결정하고, 상기 외란은 상기 냉각기의 유입하는 피냉각 수온인 흡수 냉각기 시스템 제어 방법.
냉각기에 대한 제어 입력은 용량 밸브에 의해 제어되는 열원이고, 상기 용량 밸브는 PI 제어기에 의해 제어되는 흡수 냉각기용 제어 시스템이며,

상기 냉각기에서 외란을 측정하는 수단과,

설정값 빼기 상기 외란으로서 신호 에러를 정의하는 수단과,

상기 PI 제어기의 제어 함수를 기초하여 상기 용량 밸브를 제어하는 수단을 포함하고,

상기 제어 함수는 C(s) = K_po(1+b|E|) + K_I/s로 표현되며, 여기서 K_P0는 상기 신호 에러가 영일 때의 이득이고, |E|는 신호 에러의 절대값이고, b는 조절 가능한 상수이고, K_I는 적분 이득인 흡수 냉각기용 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 설정값은 상기 냉각기의 소정의 유출하는 피냉각 수온을 결정하고, 상기 외란은 상기 냉각기의 유입하는 피냉각 수온인 흡수 냉각기용 제어 시스템.